LED, les différentes technologies de puce LED
L’arrivée massive des technologies de la puce LED en éclairage a créé un changement complet dans la façon de réaliser les lampes ou luminaires. Les acteurs historiques, habitués à une certaine constance dans la technologie, ont soudainement dû comprendre, ou du moins entendre, des termes tels que CSP, Lumiramic, VTF et autres termes importés avec plus ou moins de justesse du monde du semi-conducteur.
Le composant LED est un assemblage de plusieurs sous-composants, chacun ayant ses avantages, ses compromis et ses inconvénients. Il comprend une partie active – un composant semi-conducteur – contenant un ou plusieurs puits quantiques. Ces puits sont le moteur du composant et de la solution. Le rôle de la puce est donc de générer efficacement de la lumière, à l’intérieur de ces puits, mais également de permettre de sortir la lumière de la puce.
La puce LED : comparaison latérale et verticale
On peut regrouper l’offre en termes de puces en trois familles :
- les puces surnommées « latérales » ou Common chip,
- les puces dites verticales ou VTF,
- les composants Flip chip.
En termes de présence sur le marché, on estime à :
- 95% la proportion de puces latérales,
- 5% les puces VTF et Flip chip.
Puce latérale ou « Common chip »
La puce latérale est composé sommairement d’une jonction et de deux électrodes en face avant de la LED.
Cette puce est fabriquée par épitaxie en phase de vapeur aux organométalliques – MOCVD. La croissance se faisant depuis le substrat, qui peut être laissé en face arrière de la LED.
- En termes de processus, cette configuration de puce est la moins lourde et nécessite le moins d’étapes. C’est historiquement le design Nichia, qui a valu le prix Nobel au Professeur Nakamura.
- En termes de performance, on obtient une émission de lumière dans le demi espace supérieur, et la proportion de lumière latérale force à ce que ce type de puce soit « noyé » dans un phosphore.
Deuxièmement, pour injecter le courant dans la jonction, il est nécessaire de lui faire parcourir une longueur importante sur la puce « current spreading », qui tend à créer une résistance électrique plus importante. Ce facteur rend cette source électriquement plus résistive et limitera sa plage de fonctionnement à des densités de courants plus faibles. On groupe généralement ces designs sous le nom de « mid power »
En résumé, ces puces sont optimales dans un design ayant une source optique relativement large, où on pourra ajouter un réflecteur dans le boitier, lui-même choisi pour limiter le coût.
Cette structure monolithique possède une épaisseur plus importante relativement aux autres designs. Le processus étant plus simple, la fiabilité en est accrue.
On a également une maturité importante et un historique de plus de 30 ans sur ce type de LED, permettant une qualité généralement meilleure de la puce.
En contrepartie, le boitier de taille importante comprend un réflecteur argent, qu’il convient de terminer correctement pour éviter des problèmes de corrosion, actuellement largement connus des utilisateurs des premières générations de « mid power » ou puissance moyenne.
Enfin, le matériau du boitier, typiquement un PLCC, peut être dégradé par la lumière bleue de la source.
On peut résumer ces points ainsi :
Points positifs
- Fiabilité de la puce
- Efficacité optique du boitier
- Coût composant
Points d’attentions
- Fiabilité du package
- Perte d’efficacité à fort courant, « Droop » en anglais
- Taille optique
- Gamme d’utilisation limitée
On limitera donc ce type de boitier à des applications où :
- la contrainte de taille de la source est faible.
- quand on peut augmenter le nombre de LED.
- quand on peut limiter le courant par LED.
Puce verticale ou VTF : Vertical Thin Film
La puce verticale est fabriquée selon un procédé différent.
Typiquement, une puce verticale est fabriquée par croissance MOCVD également, puis on retire le substrat, on obtient alors un film fin contenant la jonction pour souder ce film sur un substrat de report.
On obtient alors une puce contenant une électrode de grande surface en face arrière, donc une excellente répartition surfacique du courant, et un chemin électrique vertical conduisant à une électrode en face avant. Ce type de structure est proche des structures des diodes laser (sans miroir avant, donc sans effet laser…).
Thermiquement, on obtient également une puce ayant un large sabot métallique adapté aux fortes densités de puissance.
Les résistances électriques sont alors quatre à cinq fois inférieures au design latéral, permettant à ces designs d’atteindre des densités de courant supérieures. On groupe généralement ces designs en « high power » ou forte puissance.
Optiquement, ces designs tendent à donner des faisceaux plus directifs et ayant une ouverture inférieure. Il n’est alors pas nécessaire de noyer la puce dans un phosphore, on peut simplement déposer le phosphore en surface, voire en sus placer un dôme pour ajuster le faisceau, et profiter de la bonne tenue thermique pour ajouter un deuxième sabot thermique, contenu dans le boitier.
Le processus pour obtenir une puce verticale est plus « propriétaire » par fabricant, les volumes inférieurs, et les étapes supplémentaires d’amincissement/report conduisent à des puces de coût plus important.
A contrario, la quantité de lumière permet d’obtenir des coûts de lumière comparables aux puces latérales, sous réserve que l’utilisateur puisse gérer un budget thermique par composant supérieur.
On peut donc résumer :
Points positifs
- Efficacité de la puce
- Efficacité thermique du boitier
- Droop
- Taille optique
- Fiabilité du package
- Large gamme d’utilisation
Point d’attentions
- Efficacité de conversion du package
- Cout composant
On utilisera donc principalement ce type de boitier dans des applications où :
- La contrainte de taille de la source est forte.
- Le bénéfice de fiabilité du boitier est « différentiant ».
Puce de type « Flip chip »
Les puces de type « Flip chip » sont un design particulier où une jonction latérale va être amincie, contactée en face avant, et émettre sa lumière à travers le substrat.
On retourne alors la structure, et l’émission de lumière a l’avantage de ne pas être bloquée par une électrode. On gagne donc par le design quelques pourcents d’utilisation de la surface de la puce.
On bénéficie également d’une faible résistance, d’un « droop » intéressant.
Ce type de design a les mêmes caractéristiques finales qu’une puce verticale.
On peut aussi tailler le substrat restant, qui est transparent, pour faciliter l’émission latérale, permettant de placer ce type de puce dans un package de type PLCC.
Approfondir le sujet
- LED, les différentes technologies de boitier
- Quel est le processus de la fabrication LED ? Pureté, variabilité
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- Réalisations en éclairage LED
Lieu
- Pi Lighting
- Sion, Suisse
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